聯(lián)合氧化磷酸化缺陷21 型1 例報告并文獻(xiàn)復(fù)習(xí)

鄒東方 文飛球 廖建湘

深圳市兒童醫(yī)院 1.神經(jīng)內(nèi)科，2.血液腫瘤內(nèi)科（廣東深圳 518038）

線粒體氨基酰-tRNA 合成酶（mitochondrial aminoacyl-tRNA synthetases，mt-ARS）由核基因ARS2編碼，通過催化同源tRNA 與特定氨基酸特異性結(jié)合產(chǎn)生氨基酰-tRNA，參與線粒體蛋白質(zhì)合成的起始階段，將遺傳信息從線粒體DNA 轉(zhuǎn)移到氧化磷酸化系統(tǒng)（mitochondrial oxidative phosphorylation system，OXPHOS），而OXPHOS 是細(xì)胞ATP 能量的主要來源。因此，mt-ARS缺陷可影響線粒體翻譯功能，引起遺傳性線粒體疾病。近年來，編碼mt-ARS 的基因缺陷已成為人類線粒體疾病的新病因[1]。其通常具有發(fā)病年齡早和常染色體隱性遺傳的特征[2]，主要臨床表現(xiàn)為腦病，其他包括肌病、心肌病、腎小管疾病及聽力障礙。目前關(guān)于此類疾病的研究仍較少，多數(shù)為個案或小樣本的臨床報道，有些ARS 2基因相關(guān)疾病國內(nèi)仍未見報道。目前共有17 種mt-ARS，分別由不同ARS2編碼，其中TARS2基因編碼線粒體蘇氨酰-tRNA合成酶（mitochondrial threonyl-tRNA synthetase，mt-ThrRS），其變異所致疾病為聯(lián)合氧化磷酸化缺陷21型（combined oxidative phosphorylation deficiency-21，COXPD 21），目前僅有國外文獻(xiàn)報道3 例。深圳市兒童醫(yī)院在320 例中國癲癇兒童應(yīng)用全基因組測序（whole genome sequencing，WGS）進(jìn)行病因?qū)W研究中，確診1例TARS2復(fù)合雜合新變異[3]，為國內(nèi)未見報道的COXPD 21 病例，擴充了COXPD 21 基因型數(shù)據(jù)庫及該病的臨床表型。

1 臨床資料

患兒，男，6 月齡，因反復(fù)抽搐3 月余，發(fā)熱5 天，頻繁抽搐伴氣促、發(fā)紺5 小時于2017 年4 月入院。患兒3 月齡起出現(xiàn)無熱抽搐，主要表現(xiàn)為局灶性發(fā)作痙攣發(fā)作及肌陣攣發(fā)作。予左乙拉西坦口服治療仍有反復(fù)抽搐，服藥不規(guī)律。入院前5 天開始反復(fù)發(fā)熱，5 小時前出現(xiàn)頻繁抽搐，伴氣促、發(fā)紺。患兒系G1P1，足月順產(chǎn)，出生體質(zhì)量2 800 g，無窒息產(chǎn)傷史，母孕期否認(rèn)先兆流產(chǎn)史?；純喊l(fā)育落后，至今不會抬頭、不會翻身、不會逗笑、不會追光追物?；純杭韧邢忍煨院泶Q史，無癲癇及其他遺傳性疾病家族史。入院20 天前患兒有外傷史，當(dāng)時有肺挫裂傷及右側(cè)額顳頂部硬膜下出血。入院體格檢查：昏迷，全身皮膚發(fā)紺，可見花紋，雙側(cè)瞳孔等大等圓，直徑1.5 mm，對光反射遲鈍，抽泣樣呼吸，口唇顏面發(fā)紺；心音低鈍，節(jié)律不齊；腹軟，臍疝，肝肋下3 cm，質(zhì)地軟，脾未及；四肢肌張力增高，四肢末端涼，毛細(xì)血管充盈時間6 s。入院實驗室檢查：血氣分析pH 7.071，乳酸7.1 mmol/L，剩余堿20.9 mmol/L，鈉115 mmol/L，鉀2.3 mmol/L；尿氣相色譜-質(zhì)譜及血串聯(lián)質(zhì)譜未見異常。頭顱MRI 示雙側(cè)腦萎縮，胼胝體菲薄，幕上腦室擴張，硬膜下積液，腦干、雙側(cè)基底節(jié)、丘腦、大腦腳多發(fā)異常信號（圖1）。腦電圖示全導(dǎo)低電壓，雙側(cè)半球多灶性癲癇樣放電。心臟彩超示心肌彌漫性增厚，心包積液。視聽覺誘發(fā)電位示雙側(cè)聽覺、視覺傳導(dǎo)通路損傷。

圖1 COXPD21 患兒頭顱MRI 表現(xiàn)

結(jié)合患兒臨床特征及相關(guān)實驗室檢查，高度考慮線粒體病可能，送檢線粒體相關(guān)基因組測序未發(fā)現(xiàn)明確致病變異。經(jīng)醫(yī)院倫理委員會審批[No.深兒醫(yī)倫審（科研）2017014]，患兒監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書后行WGS。用EDTA抗凝采集管取患兒及父母外周血各4 mL；從患兒外周血白細(xì)胞中提取DNA，采用華大基因研究院BGI-500 平臺進(jìn)行WGS，對標(biāo)本進(jìn)行單核苷酸變異（single nucleotide variant，SNV）和拷貝數(shù)變異測序。測序的平均深度為30 X，基因覆蓋度平均為99.9%以上，使用GATK或者Edico Genome公司生物芯片進(jìn)行SNV 及小片段插入/缺失變異檢測，測序的數(shù)據(jù)參照GRCh37/hg19標(biāo)準(zhǔn)，使用Edico Dragen分析流程對變異進(jìn)行注釋[4]。在ExAC、GnomAD和G1000頻率數(shù)據(jù)庫[5-7]中，ClinVar、CGD、OMIM、HGMD等基因疾病數(shù)據(jù)庫[8-11]中使用bcfano（V 1.4）注釋變異。依據(jù)美國醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)與基因組學(xué)學(xué)會（American College of Medical Genetics and Genomics，ACMG）指南[12-13]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀。最后，進(jìn)行Sanger測序以驗證變異和確認(rèn)是否存在家系共分離。WGS 檢出TARS 2（NM_025150.4）c.987_988insA（p.Arg330Lysfs*4/p.R330Kfs*4）移碼變異，來源于父親，根據(jù)ACMG判為疑似致?。≒VS1+PM2）；另一TARS2（NM_025150.4）c.470 C>G（p.Thr 157 Arg/p.T 157 R）錯義變異，來源于母親，根據(jù)ACMG判為疑似致?。≒M1+PM2+PM3）?；純焊改笧樯鲜? 個變異的雜合攜帶者，臨床表型無異常。測序峰圖及蛋白保守性分析見圖2。

圖2 TARS2 基因測序峰圖

患兒入院后予積極擴容、呼吸機輔助呼吸、糾正電解質(zhì)紊亂、止驚、抗感染、雞尾酒療法，輔酶Q1010 mg/(kg·d)，左卡尼汀50 mg/(kg·d)，維生素B2200 mg/d，維生素B1500 mg/d，維生素E 400 IU/d，維生素C 200 mg/d及對癥支持治療。住院期間仍有反復(fù)抽搐、高熱，出現(xiàn)反復(fù)心率、血氧下降，住院1個月死亡。

2 討論

本例患兒臨床表現(xiàn)為精神運動發(fā)育落后，多種形式的癲癇發(fā)作，四肢肌張力增高，高乳酸血癥，肥厚型心肌??；頭顱MRI 提示雙側(cè)腦萎縮，胼胝體菲薄，幕上腦室擴張，硬膜下積液，腦干、雙側(cè)基底節(jié)、丘腦、大腦腳多發(fā)異常信號，符合線粒體病特點。WGS測序證實患兒攜帶TARS 2基因 c.987_988 insA 和c.470C>G復(fù)合雜合變異，該變異既往均未見文獻(xiàn)報道，根據(jù)ACMG判為疑似致病性變異，故患兒確診為COXPD21。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國外已報道3 例病例，國內(nèi)未見報道。檢索到的3例患兒中，2例為兄妹，于2014年首次報道。臨床表現(xiàn)為四肢肌張力增高、精神運動發(fā)育遲緩以及高乳酸血癥，均于生后數(shù)月因代謝危象死亡。哥哥5 月齡時頭顱MRI 顯示胼胝體菲薄、蒼白球高信號；妹妹3 月齡時頭顱MRI 未見明顯異常，線粒體測序未檢測出致病性變異，WES 發(fā)現(xiàn)TARS 2復(fù)合雜合變異，分別為TARS2（NM 025150.4）c.845C>T（p.Pro282Leu）錯義變異及內(nèi)含子6+3位置的TARS2（NM 025150.4）c.695+3A>G剪切變異，患兒母親及父親分別為上述2 個變異的雜合攜帶者，妹妹具有相同的復(fù)合雜合變異，家系中1 個健康同胞攜帶1 個剪切變異，另1 健康同胞不攜帶上述變異，符合家系共分離特點。細(xì)胞功能研究顯示患者成纖維細(xì)胞氨基酰tRNA-Thr 含量嚴(yán)重減少，永生化細(xì)胞分析提示線粒體呼吸缺陷，而引入野生型TARS2可挽救線粒體的生化缺陷[14]。第3例患兒表現(xiàn)為肌張力低下、小腦萎縮、精神運動發(fā)育落后、高乳酸血癥，WES發(fā)現(xiàn)TARS2上2個復(fù)合雜合變異，分別為剪切變異和錯義變異，這2個變異預(yù)測會導(dǎo)致mt-ThrRS功能喪失，引起線粒體功能障礙，但具體變異未詳細(xì)描述[15]。

mt-ThrRS 含有718 個氨基酸，主要包括3 個結(jié)構(gòu)域：N-末端結(jié)構(gòu)域（用于編輯的N 1 和N 2 結(jié)構(gòu)域）、用于氨基酸活化和tRNA 連接的氨基酰化結(jié)構(gòu)域、用于tRNA結(jié)合的反密碼子結(jié)構(gòu)域[16]。mt-ThrRS不能準(zhǔn)確地選擇和識別同源氨基酸，容易錯誤激活絲氨酸非同源序列，其N 1 結(jié)構(gòu)域的編輯功能可以清除錯誤激活的絲氨酸，保證線粒體翻譯的質(zhì)量[17]。mt-ThrRS由TARS2基因編碼，該基因位于染色體1q21.3上，包含18個外顯子，大小為19.6 kb。該基因變異可導(dǎo)致編碼蛋白mt-ThrRS功能異常，引起線粒體翻譯質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致TARS2相關(guān)疾病發(fā)生。后續(xù)研究顯示TARS2的Pro 282 Leu 變異，通過體內(nèi)、體外實驗發(fā)現(xiàn)mt-ThrRS-P282L突變株可導(dǎo)致氨基酸活化水平、氨基?；靶庉嬎矫黠@下降，改變蛋白的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，降低酶的催化效率[18]。上述功能研究證明TARS2相關(guān)變異的致病作用。

TARS 2基因變異所致疾病為COXPD 21，常染色體隱性遺傳，臨床表現(xiàn)為嚴(yán)重腦病、胼胝體發(fā)育不良、腦白質(zhì)營養(yǎng)不良、蒼白球異常信號、肌張力異常、發(fā)育遲緩、周圍神經(jīng)病、小頭等，預(yù)后差，早期死亡。本例患兒臨床表型高度符合，攜帶的2個TARS2變異在人群中頻率極低，構(gòu)成復(fù)合雜合致病，符合家系共分離原則，可導(dǎo)致臨床疾病發(fā)生。上述2 個變異既往未見文獻(xiàn)報道，本研究擴充了TARS2基因相關(guān)疾病的基因型數(shù)據(jù)庫。TARS2變異所致疾病目前所報道病例無癲癇表型，本例患兒有癲癇發(fā)作，顯示TARS 2參與癲癇的發(fā)生發(fā)展，擴展了TARS2基因相關(guān)疾病的臨床表型。

另外，腦病是ARS 2基因相關(guān)疾病最常見的臨床特征，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)對能量需求高所致，此類患者具有相對特定的MRI表現(xiàn)。如DARS2變異（編碼線粒體天門冬氨酰-tRNA 合成酶）可導(dǎo)致白質(zhì)腦病，腦干、脊髓受累；EARS2變異（編碼線粒體谷氨酰-tRNA合成酶）所致白質(zhì)腦病可累及丘腦、腦干；RARS 2變異（編碼線粒體精氨酰-tRNA 合成酶）可導(dǎo)致嚴(yán)重的嬰兒期腦病，橋小腦發(fā)育不全，腦萎縮[18]。而TARS 2變異既往報道表現(xiàn)為胼胝體發(fā)育不良、蒼白球高信號、小腦萎縮。本例患兒的MRI表型更嚴(yán)重，表現(xiàn)為雙側(cè)腦萎縮，胼胝體菲薄，幕上腦室擴張，硬膜下積液，腦干、雙側(cè)基底節(jié)、丘腦、大腦腳多發(fā)異常信號，進(jìn)一步豐富了COXPD21的臨床表型。

綜上，本研究經(jīng)WGS 發(fā)現(xiàn)TARS 2基因2 個新發(fā)變異，明確為本例患兒的致病性基因變異，豐富了TARS2相關(guān)疾病的基因型及臨床表型，為該家系遺傳咨詢提供了依據(jù)。

致謝：感謝深圳市華大基因研究院提供的技術(shù)支持。